სთბური ძრავის ასაგებად, რომელსაც შეუძლია სითბოს გამოყენებით მუშაობა, გარკვეული პირობების შექმნა გჭირდებათ. უპირველეს ყოვლისა, სითბოს ძრავა უნდა მუშაობდეს ციკლურ რეჟიმში, სადაც თანმიმდევრული თერმოდინამიკური პროცესების სერია ქმნის ციკლს. ციკლის შედეგად, მოძრავი დგუშით ჩასმული გაზი მუშაობს ცილინდრში. მაგრამ ერთი ციკლი არ არის საკმარისი პერიოდულად მოქმედი მანქანისთვის, მან უნდა შეასრულოს ციკლები განმეორებით გარკვეული დროის განმავლობაში. რეალობაში მოცემული დროის განმავლობაში შესრულებული მთლიანი სამუშაო, გაყოფილი დროზე, იძლევა კიდევ ერთ მნიშვნელოვან კონცეფციას - ძალას.
მე-19 საუკუნის შუა წლებში შეიქმნა პირველი სითბოს ძრავები. ისინი მუშაობდნენ, მაგრამ ხარჯავდნენ საწვავის წვის შედეგად მიღებულ სითბოს დიდ რაოდენობას. მაშინ თეორიულმა ფიზიკოსებმა დაუსვეს საკუთარ თავს კითხვები: „როგორ მუშაობს გაზი სითბოს ძრავაში? როგორ მივიღოთ მაქსიმალური შესრულება საწვავის მინიმალური მოხმარებით?”
გაზის სამუშაოების ანალიზის შესასრულებლად საჭირო იყო განმარტებებისა და ცნებების მთელი სისტემის შემოღება. ყველა განსაზღვრების მთლიანობამ შექმნა მთელი სამეცნიერო მიმართულება, რომელიც მიიღოსათაური: „ტექნიკური თერმოდინამიკა“. თერმოდინამიკაში გაკეთდა მთელი რიგი ვარაუდები, რომლებიც არანაირად არ აკნინებს მთავარ დასკვნებს. სამუშაო სითხე არის ეფემერული აირი (ბუნებაში არარსებული), რომლის შეკუმშვა შესაძლებელია ნულოვანი მოცულობით, რომლის მოლეკულები არ ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან. ბუნებაში არსებობენ მხოლოდ რეალური აირები, რომლებსაც აქვთ კარგად განსაზღვრული თვისებები, რომლებიც განსხვავდება იდეალური აირისგან.
მუშა სითხის დინამიკის მოდელების გასათვალისწინებლად, შემოთავაზებული იქნა თერმოდინამიკის კანონები, რომლებიც აღწერს ძირითად თერმოდინამიკურ პროცესებს, როგორიცაა:
- იზოქორული პროცესი არის პროცესი, რომელიც ხორციელდება სამუშაო სითხის მოცულობის შეცვლის გარეშე. იზოქორული პროცესის მდგომარეობა, v=const;
- იზობარული პროცესი არის პროცესი, რომელიც ხორციელდება სამუშაო სითხეში წნევის შეცვლის გარეშე. იზობარული პროცესის მდგომარეობა, P=const;
- იზოთერმული (იზოთერმული) პროცესი არის პროცესი, რომელიც ხორციელდება ტემპერატურის მოცემულ დონეზე შენარჩუნებისას. იზოთერმული პროცესის მდგომარეობა, T=const;
- ადიაბატური პროცესი (ადიაბატური, როგორც ამას თანამედროვე სითბოს ინჟინრები უწოდებენ) არის პროცესი, რომელიც ხორციელდება სივრცეში გარემოსთან სითბოს გაცვლის გარეშე. ადიაბატური პროცესის მდგომარეობა, q=0;
- პოლიტროპული პროცესი - ეს არის ყველაზე განზოგადებული პროცესი, რომელიც აღწერს ყველა ზემოთ ჩამოთვლილ თერმოდინამიკურ პროცესს, ისევე როგორც ყველა სხვას, რაც შესაძლებელია ცილინდრში მოძრავი დგუშის შესასრულებლად.
პირველი სითბოს ძრავების შექმნისას ისინი ეძებდნენ ციკლს, რომელშიც შეგიძლიათ მიიღოთ უმაღლესი ეფექტურობა(ეფექტურობა). სადი კარნომ, შეისწავლა თერმოდინამიკური პროცესების მთლიანობა, სურვილისამებრ მივიდა საკუთარი ციკლის განვითარებამდე, რომელმაც მიიღო მისი სახელი - კარნოს ციკლი. ის თანმიმდევრულად ასრულებს იზოთერმულ, შემდეგ ადიაბატურ შეკუმშვის პროცესს. სამუშაო სითხეს ამ პროცესების განხორციელების შემდეგ აქვს შიდა ენერგიის რეზერვი, მაგრამ ციკლი ჯერ არ დასრულებულა, ამიტომ სამუშაო სითხე ფართოვდება და ასრულებს იზოთერმული გაფართოების პროცესს. ციკლის დასასრულებლად და სამუშაო სითხის საწყის პარამეტრებთან დასაბრუნებლად, ტარდება ადიაბატური გაფართოების პროცესი.
კარნომ დაამტკიცა, რომ ეფექტურობა მის ციკლში აღწევს მაქსიმუმს და დამოკიდებულია მხოლოდ ორი იზოთერმის ტემპერატურაზე. რაც უფრო მაღალია განსხვავება მათ შორის, მით უფრო მაღალია თერმული ეფექტურობა. კარნოს ციკლის მიხედვით სითბოს ძრავის შექმნის მცდელობა წარუმატებელი აღმოჩნდა. ეს არის იდეალური ციკლი, რომლის შესრულებაც შეუძლებელია. მაგრამ მან დაამტკიცა თერმოდინამიკის მეორე კანონის მთავარი პრინციპი თერმული ენერგიის ღირებულების ტოლი სამუშაოს მიღების შეუძლებლობის შესახებ. თერმოდინამიკის მეორე კანონისთვის ჩამოყალიბდა არაერთი განმარტება, რომლის საფუძველზეც რუდოლფ კლაუზიუსმა შემოიტანა ენტროპიის ცნება. მისი კვლევის მთავარი დასკვნა ის არის, რომ ენტროპია მუდმივად იზრდება, რაც იწვევს თერმულ „სიკვდილამდე“.
კლაუზიუსის ყველაზე მნიშვნელოვანი მიღწევა იყო ადიაბატური პროცესის არსის გააზრება, როდესაც იგი ხორციელდება, სამუშაო სითხის ენტროპია არ იცვლება. ამიტომ, კლაუსიუსის მიხედვით, ადიაბატური პროცესი არის s=const. აქ s არის ენტროპია, რომელიც სხვა სახელს ანიჭებს პროცესს, რომელიც მიმდინარეობს სითბოს მიწოდების ან მოცილების გარეშე, იზენტროპიული პროცესი. მეცნიერი ეძებდასითბოს ძრავის ისეთი ციკლი, სადაც არ იქნება ენტროპიის ზრდა. მაგრამ, სამწუხაროდ, მან ეს ვერ შეძლო. აქედან გამომდინარე, მან დაასკვნა, რომ სითბოს ძრავის შექმნა საერთოდ შეუძლებელია.
მაგრამ ყველა მკვლევარი არ იყო ასეთი პესიმისტური. ისინი ეძებდნენ რეალურ ციკლებს სითბოს ძრავებისთვის. მათი ძიების შედეგად ნიკოლაუს ავგუსტ ოტომ შექმნა სითბოს ძრავის საკუთარი ციკლი, რომელიც ახლა ბენზინის ძრავებშია დანერგილი. აქ ტარდება სამუშაო სითხის შეკუმშვის ადიაბატური პროცესი და იზოქორული სითბოს მიწოდება (საწვავის წვა მუდმივი მოცულობით), შემდეგ ჩნდება ადიაბატური გაფართოება (მუშა სითხის მიერ მისი მოცულობის გაზრდის პროცესში სამუშაოს შესრულება) და იზოქორული. სითბოს მოცილება. ოტოს ციკლის პირველი შიდა წვის ძრავები საწვავად იყენებდნენ აალებადი გაზებს. მოგვიანებით გამოიგონეს კარბურატორები, რომლებმაც დაიწყეს ჰაერის ბენზინი-ჰაერის ნარევების შექმნა ბენზინის ორთქლებთან და მათი მიწოდება ძრავის ცილინდრში.
ოტოს ციკლში წვადი ნარევი შეკუმშულია, ამიტომ მისი შეკუმშვა შედარებით მცირეა - აალებადი ნარევი აფეთქებისკენ მიდრეკილია (აფეთქება კრიტიკული წნევის და ტემპერატურის მიღწევისას). ამიტომ, ადიაბატური შეკუმშვის პროცესის დროს მუშაობა შედარებით მცირეა. აქ მოცემულია კიდევ ერთი კონცეფცია: შეკუმშვის კოეფიციენტი არის მთლიანი მოცულობის თანაფარდობა შეკუმშვის მოცულობასთან.
გაგრძელდა საწვავის ენერგოეფექტურობის გაზრდის გზების ძიება. ეფექტურობის ზრდა დაფიქსირდა შეკუმშვის კოეფიციენტის ზრდაში. რუდოლფ დიზელმა შეიმუშავა საკუთარი ციკლი, რომელშიც სითბო მიეწოდებამუდმივ წნევაზე (იზობარულ პროცესში). მისმა ციკლმა საფუძველი ჩაუყარა ძრავებს, რომლებიც იყენებენ დიზელის საწვავს (მას ასევე უწოდებენ დიზელის საწვავს). დიზელის ციკლი არ შეკუმშავს აალებადი ნარევს, არამედ ჰაერს. ამიტომ, ამბობენ, რომ სამუშაო კეთდება ადიაბატურ პროცესში. შეკუმშვის ბოლოს ტემპერატურა და წნევა მაღალია, ამიტომ საწვავი ინჟექტორების მეშვეობით ხდება. ის ერევა ცხელ ჰაერს, წარმოქმნის აალებადი ნარევს. ის იწვის, ხოლო სამუშაო სითხის შიდა ენერგია იზრდება. გარდა ამისა, გაზის გაფართოება მიდის ადიაბატის გასწვრივ, ხდება სამუშაო დარტყმა.
თბურ ძრავებში დიზელის ციკლის განხორციელების მცდელობა წარუმატებელი აღმოჩნდა, ამიტომ გუსტავ ტრინკლერმა შექმნა კომბინირებული Trinkler ციკლი. იგი გამოიყენება დღევანდელ დიზელის ძრავებში. ტრიკლერის ციკლში სითბო მიეწოდება იზოკორის გასწვრივ და შემდეგ იზობარის გასწვრივ. მხოლოდ ამის შემდეგ ხდება სამუშაო სითხის გაფართოების ადიაბატური პროცესი.
მიბრუნებული სითბოს ძრავების ანალოგიით, ტურბინული ძრავებიც მუშაობს. მაგრამ მათში სითბოს მოცილების პროცესი გაზის სასარგებლო ადიაბატური გაფართოების დასრულების შემდეგ ხორციელდება იზობარის გასწვრივ. გაზის ტურბინითა და ტურბოპროპის ძრავებით თვითმფრინავებზე ადიაბატური პროცესი ორჯერ ხდება: შეკუმშვისა და გაფართოების დროს.
ადიაბატური პროცესის ყველა ფუნდამენტური ცნების დასასაბუთებლად შემოგვთავაზეს გამოთვლის ფორმულები. აქ ჩნდება მნიშვნელოვანი რაოდენობა, რომელსაც ეწოდება ადიაბატური მაჩვენებლები. მისი მნიშვნელობა დიატომური გაზისთვის (ჟანგბადი და აზოტი არის ჰაერში არსებული ძირითადი დიატომური აირები) არის 1.4.ადიაბატური მაჩვენებლით გამოყენებულია კიდევ ორი საინტერესო მახასიათებელი, კერძოდ: სამუშაო სითხის იზობარული და იზოქორული სითბური სიმძლავრეები. მათი თანაფარდობა k=Cp/Cv არის ადიაბატური მაჩვენებლები.
რატომ გამოიყენება ადიაბატური პროცესი სითბოს ძრავების თეორიულ ციკლებში? ფაქტობრივად, ტარდება პოლიტროპული პროცესები, მაგრამ იმის გამო, რომ ისინი მაღალი სიჩქარით ხდება, ჩვეულებრივად უნდა ვივარაუდოთ, რომ არ ხდება სითბოს გაცვლა გარემოსთან.
ელექტროენერგიის
90% გამოიმუშავებს თბოელექტროსადგურებს. ისინი იყენებენ წყლის ორთქლს, როგორც სამუშაო სითხეს. იგი მიიღება ადუღებული წყლით. ორთქლის სამუშაო პოტენციალის გასაზრდელად ის ზედმეტად თბება. ზედმეტად გახურებული ორთქლი მაღალი წნევით მიეწოდება ორთქლის ტურბინას. აქ ასევე მიმდინარეობს ორთქლის გაფართოების ადიაბატური პროცესი. ტურბინა იღებს ბრუნვას, ის გადადის ელექტრო გენერატორში. ეს, თავის მხრივ, გამოიმუშავებს ელექტროენერგიას მომხმარებლებისთვის. ორთქლის ტურბინები მუშაობს რანკინის ციკლზე. იდეალურ შემთხვევაში, ეფექტურობის ზრდა ასევე დაკავშირებულია წყლის ორთქლის ტემპერატურისა და წნევის მატებასთან.
როგორც ზემოაღნიშნულიდან ჩანს, ადიაბატური პროცესი ძალზე გავრცელებულია მექანიკური და ელექტრული ენერგიის წარმოებაში.
